Origine e provenienza dei RC primari

L'origine dei RC non è ancora un fenomeno completamente ben compreso. 

In generale si pensa oggi che le sorgenti dove i raggi cosmici sono accelerati corrispondano e traccino i luoghi dove avvengono i processi più violenti nell'Universo, dove grandi masse sono accelerate e si scontrano. 

L'ampio spettro di energie, che copre più di 12 ordini di grandezza, fa pensare che anche l'origine dei raggi cosmici primari ed i meccanismi che ne provocano l'accelerazione possano essere diversi.

Sicuramente vi sono RC di provenienza solare (fascia gialla) , altri provengono da fenomeni cosmici violenti all'interno della nostra galassia (fascia azzurra), altri ancora da eventi od oggetti extragalattica. ( fascia violetta).

PROVENIENZA SOLARE : Anche il sole, come tutte le stelle, in alcuni periodi di particolare intensità può emettere particelle ad alta energia, tramite meccanismi legati all'attività delle brillamenti solari , o solar flares.

Il bel video segnalato al il link qui di seguito spiega l'origine i brillamenti solari.  

Il video qui di seguito mostra invece le immagini di una spettacolare tempesta solare del 2012 

Queste sono delle vere e proprie esplosioni che oltre a generare fotoni molto energetici proiettano nello spazio particelle ad alta energia. Bisogna però fare attenzione a non confondere questo tipo di eventi col vento solare. Normalmente infatti ogni stella disperde nello spazio gran parte della propria massa, principalmente protoni e elettroni. Questo fiume di materia proveniente dal sole viene chiamato vento solare; Tali particelle non fanno parte dei raggi cosmici in quanto viaggiano a basse velocità e quindi hanno energie di pochi MEV. 

Le eruzioni solari invece in certi ( fortunatamente rari) casi hanno energia sufficiente per accelerare le particelle a velocità relativistiche e se l'eruzione si propaga in direzione della terra può provocare seri problemi a satelliti artificiali e astronauti che possono trovarsi in orbita, oltre ad un'intensa pioggia di particelle a terra; sono le cosidette "Tempeste solari".

PROVENIENZA GALATTICA

Si ritiene che i raggi cosmici di energia intermedia (fino a 10000 TeV, ossia fino al ginocchio) che permeano lo spazio interstellare e bombardano costantemente il nostro pianeta, abbiano origine galattica e provengono dunque dalla Via Lattea, principalmente da esplosioni di supernova. Qui a fianco una foto dei resti della supernova 1604, nota anche come Supernova di Keplero, ultima supernova ad essere esplosa nella nostra galassia. Quando questo accadde, nel 1604, fu visibile nel cielo ad occhio nudo per 18 mesi. Queste gigantesche esplosioni avvengono quando il nocciolo interno di una stella alla fine della sua vita collassa sotto il suo stesso peso. Quando la materia del nocciolo raggiunge e supera la densità della materia nucleare, si produce un colossale "rimbalzo”, un'immensa esplosione che lancia nello spazio interstellare l'involucro esterno della stella alla velocità di migliaia di chilometri al secondo. 

Sono queste esplosioni che "seminano” lo spazio con gli elementi come carbonio, ossigeno e altri, che sono sintetizzati dalle reazioni nucleari nel centro delle stelle. La teoria suggerisce che all'onda d'urto generata
da questa violentissima espulsione di materia siano associati i campi elettromagnetici che accelerano i raggi cosmici. 

Le particelle verrebbero accelerate fino ad altissime energie gradualmente, in numerosi piccoli passi mentre attraversano e riattraversano l'onda d'urto dell'esplosione, continuamente deviate da campi magnetici turbolenti. Un pò come nel caso di una palla da tennis che viene colpita più volte da racchette, le quali pure hanno velocità anche se molto inferiori rispetto alle velocità acquisite alla fine dalla palla.

I concetti fondamentali di questa teoria dell'accelerazione dei raggi cosmici sono stati formulati da Enrico Fermi in un celebre lavoro del 1949, uno dei numerosi e importantissimi contributi di colui che è stato uno dei maggiori scienziati del ventesimo secolo.Successivamente l'idea di Fermi è stata raffinata ma è ancora alla base della visione odierna del meccanismo di accelerazione.

Possiamo dunque riassumere questo effetto dicendo che è una sorta di spinta che le particelle ricevono cavalcando il fronte d'onda in un'esplosione, per esempio, di supernova.

Le esplosioni di supernova non sono gli unici oggetti, o eventi astrofisici, che possono produrre raggi cosmici, ve ne sono molti altri: pulsar, stelle a neutroni, buchi neri, lampi gamma ed altri oggetti esotici.

La prima pulsar mai scoperta "ticchettava” trenta volte al secondo. Jocelyn Bell, la giovane astronoma che operava il telescopio radio che aveva registrato il fenomeno non poteva credere ai suoi "occhi”. Che cosa poteva produrre un fenomeno periodico così rapido? Era forse il segnale radio di una civiltà extraterrestre?
Il mistero venne chiarito in breve tempo. L'esplosione di una supernova produce delle minuscole stelle di neutroni con un raggio anche di pochi chilometri. Quando il nocciolo della stella in collasso gravitazionale si contrae, per la conservazione del momento angolare, la sua rotazione aumenta di velocità, come avviene
a una pattinatrice che piroetta stringendo le braccia vicino al corpo. Le stelle di neutroni sono enormemente più piccole della stella prima della compressione e quindi ruotano velocissime, anche 1.000 volte al secondo. Questa veloce rotazione genera degli elevatissimi campi magnetici. Ne conseguono dei complessi
fenomeni elettromagnetici in grado di accelerare particelle fino a energie elevatissime e che generano fasci ruotanti di fotoni che, come fari nella notte, ci illuminano periodicamente e ci appaiono pulsare. Questi fenomeni sottraggono energia alla pulsar che lentamente rallenta la sua rotazione.

Il video di RAI EDUCATIONAL a questo link narra la scoperta 

I lampi gamma sono uno dei fenomeni più sorprendenti ed enigmatici osservabili nel cielo.
Sono stati scoperti, per puro caso, alla fine degli anni '60 dai satelliti militari americani Vela, che
monitoravano la superficie della Terra alla ricerca di possibili esplosioni nucleari segrete.
Per un tempo brevissimo (da qualche centesimo a qualche centinaio di secondi) un punto nel cielo si illumina in un intensissimo "lampo” di radiazione gamma, che durante la sua breve durata supera in luminosità il resto dell'Universo visibile. Al violento lampo iniziale segue un'emissione più debole che decresce gradualmente nel tempo, scomparendo in pochi giorni o settimane. I lampi sono il risultato di
esplosioni cosmiche ancora più potenti delle supernovae, e sono per questo gli oggetti più lontani mai visti dalla Terra. L'origine di queste esplosioni potrebbe essere il collasso
gravitazionale di stelle supermassive, oppure la coalescenza (dovuta alla radiazione di onde gravitazionali) di un sistema binario formato da due stelle di neutroni per formare un buco nero.

Il filmato INAF di cui qui trovi di seguito illustra la scoperta del lampo di raggi gamma GRB 130427A che è risultato essere l'evento che ha prodotto i fotoni di più alta energia mai osservati e ha brillato in raggi gamma per oltre 20 ore.  

Un microquasar è invece un sistema binario composto da una stella normale in stretta orbita intorno a un buco nero (con massa alcune volte quella del Sole). Un "rivolo” di materia viene continuamente rubato alla stella e cade verso il buco nero.La caduta genera l'energia cinetica che alimenta l'emissione di radiazione, e si converte nell'accelerazione di particelle cariche fino a energie molto elevate.

I microquasar sono dei corpi celesti imparentati con le quasar. Prendono il nome da queste ultime poiché hanno alcune caratteristiche comuni: emissioni radio forti e variabili, spesso viste come getti radio, e un disco di accrescimento che circonda un buco nero. Nelle quasar, il buco nero è supermassiccio (milioni di masse solari) mentre nelle microquasar, la massa del buco nero è di poche masse solari. Nelle microquasar, la massa accresciuta deriva da una normale stella e il disco di accrescimento è molto luminoso nello spettro visibile e nei raggiX Le microquasar vengono talvolta chiamate 'binarie a raggi X a getto radio' per distinguerle da altre binarie a raggi X. 

Le microquasar sono molto importanti per lo studio dei getti relativistici. I getti si formano vicino al buco nero, e le scale dei tempi vicino al buco nero sono proporzionali alla massa di questo. Quindi le quasar ordinarie possono impiegare secoli per passare attraverso le variazioni che una microquasar sperimenta in un giorno.

Una ricostruzione "artistica" di un microquasar è rappresentata nel suggestivo video rappresentato da ESA 

Lo studio delle sorgenti dei raggi cosmici è stato rivoluzionato dallo sviluppo di nuovi telescopi (come Fermi,
Agile, Magic, Hess) in grado di osservare raggi gamma, cioè fotoni di alta e altissima energia.
L'accelerazione dei raggi cosmici è, infatti, accompagnata dall'emissione di luce con un ampio spettro di energia, che "segnala” la loro produzione.
L'accelerazione dei raggi cosmici è accompagnata dall'emissione non solo di fotoni ma anche di neutrini, particelle prive di carica e dotate di massa piccolissima, che giungono sulla Terra senza subire deviazione nel loro percorso e che interagiscono pochissimo con la materia.
Per queste loro caratteristiche i neutrini sono degli ottimi messaggeri, perché conservano fino a noi, praticamente intatte, le informazioni sulle loro sorgenti e quindi su ciò che avviene nel nostro Universo.

PROVENIENZA EXTRA-GALATTICA

Osservando nuovamente il grafico che mostra lo spettro di energia dei RC abbiamo già fatto notare come esistano due punti, chiamate ginocchio ( 10¹⁵ ev) e caviglia ( 10¹⁸ ev) in cui vi è un cambio di pendenza. Queste zone sono attuale oggetto di ricerca: l'opinione più comune per la flessione nella zona del ginocchio è che i raggi cosmici galattici inizino a diminuire ed inizino ad essere presenti componenti provenienti dall'esterno della nostra galassia. I Raggi cosmici con energie oltre la seconda zona di flessione (caviglia) sono chiamati UHECR ( Ultra High Energy Cosmic Ray) : questi posseggono valori di energia talmente alti che si pensa provengano sicuramente da sorgenti extragalattiche.

Per quanto riguarda i raggi cosmici di energie comprese tra il ginocchio e la caviglia si ritiene che le sorgenti più probabili siano le regioni centrali di particolari galassie (dette nuclei galattici attivi AGN) che rilasciano grandi quantità di energia quando la materia di gas interstellare e di stelle disintegrate precipita verso buchi neri super massicci (con una massa anche di miliardi di masse solari) che formano il centro di queste galassie. Ci sono indicazioni che i raggi cosmici di energia più elevata siano formati proprio in questi mostruosi sistemi. 

Nel 2004, il grande rivelatore a terra chiamato Osservatorio Pierre Auger ( di cui parleremo nella prossima sezione) ha cominciato a raccogliere dati; esso campiona attualmente una superficie di oltre 3000 chilometri quadrati (circa tre volte la superficie del comune di Roma) nella pampa argentina vicino a Malargue. L'osservatorio Auger sta fornendo informazioni fondamentali sui raggi cosmici, in particolare indicando che la direzione dei raggi cosmici di energia estremamente alta (superiore ad alcuni joule per particella, ossia a centinaia di milioni di TeV) è correlata ai nuclei delle galassie al di fuori della Via Lattea, e in particolare è stata riconosciuta come sorgente la galassia Centaurus A. Sembra quindi provato che l'origine dei raggi cosmici di altissima energia sia legata ai collassi gravitazionali in prossimità dei buchi neri supermassicci (con masse superiori anche a un miliardo di masse solari).

L'astronomia con i raggi cosmici carichi è comunque difficile, perché, anche con strumenti grandissimi come Auger, il numero di eventi raccolti è piccolo (qualche decina all'anno), e non è possibile "puntare” oggetti esterni al supergruppo locale di galassie intorno alla Via Lattea.

I dati intorno ai 10²⁰ eV sono invece oggi ancora molto dibattuti. La prima osservazione d'un raggio cosmico con un'energia superiore a 10²⁰ eV è stata fatta in New Mexico nel 1962. Da allora sono stati osservati raggi cosmici con energie ancor più elevate, sebbene siano eventi molto rari.

Sembra comunque che questo sia il limite massimo di energia a cui le particelle possono essere accelerate ma le sorgenti e i meccanismi di accelerazione per le astroparticelle UHECR per ora rimangono un enigma.

Fonti: 

"Astroparticelle" M.Arcani

"Asimmetrie" INFN - n.10